線路板設計脈沖寬度調制特性以及頻率和占空比的影響

2020-11-07

在線路板設計中，調制是對某物的控制或改變影響的應用。我們也將其稱為頻率的音調，強度或音調的變化，就像人類的聲音一樣。

但是，在應用方面，我們通常會遇到用于控制直流電動機或LED等設備的調制技術。在這種情況下，該技術稱為脈沖寬度調制（PWM）。

脈寬調制技術

如前所述，調制是指對設備或系統施加控制的能力。因此，諸如此類的方法存在于電子領域內的眾多應用中。調制作為控制方法最常見的用途之一是PWM。

由于其自適應特性，我們遇到了PWM的廣泛使用。PWM是一種減輕施加的電信號的平均可傳遞功率量的技術。而且，通過有效地將信號切成不同的部分來實現該過程。在功能操作方面，PWM通過控制其傳遞給負載的平均電流和電壓來實現此控制。通過快速打開和關閉負載和電源之間的開關來實現此方法。

但是，如果我們比較開關的接通和斷開時間，則接通時間與斷開時間的增加會增加提供給負載的總功率。通常，這種控制方法具有許多有益的應用。例如，PWM與最大功率點跟蹤（MPPT）配對是減少太陽能電池板輸出以促進其被電池使用的主要方法之一。

脈寬調制頻率

總體而言，PWM主要適用于運行慣性設備（例如電動機），該慣性設備不受這種明顯切換的影響那么快。對于具有PWM的LED，這同樣適用，因為其線性方式會影響其輸入電壓，從而影響其功能。但是，PWM開關頻率必須足夠高，以不影響負載，但是負載感知到的結果波形也應該是平滑的。

通常，電源必須切換的頻率會根據設備及其應用的不同而有很大差異。例如，切換必須在電爐中每分鐘進行幾次，并且對于PC電源和音頻放大器而言，切換頻率必須達到數十或數百kHz。使用PWM的顯著優點之一是開關器件中的功率損耗非常低。實際上，在開關的斷開階段，實際上沒有電流。同樣，在開關的接通階段，在將功率傳輸到其負載時，開關兩端的電壓實際上沒有下降。

由于功率損耗是電壓和電流的結果，因此這實際上轉化為PWM的功率損耗為零。此外，由于數字技術的特性（即1和0，或ON和OFF狀態），PWM非常適合數字控制。通常，數字技術的內在本質不費吹灰之力就可以發揮PWM功能的作用，因此很容易設置必要的占空比。

PWM特性

PWM信號是一種創建數字脈沖以控制模擬電路的方法。有兩個主要成分定義了PWM信號的行為：

占空比：占空比是系統或信號處于活動狀態時一個周期的分數。我們通常將占空比表示為比率或百分比。周期是信號結束整個開-關周期所花費的時間。

頻率：在特定時期內某事物重復或發生的頻率。換句話說，通常每秒計算的產生波的振動發生的速率，例如聲波，無線電波或光波。

關于占空比，當信號為高電平時，我們將其稱為ON，占空比描述了信號處于ON狀態的時間。我們用百分比來衡量或量化占空比。該百分比表示一個周期（時間間隔）內數字信號打開的特定時間，該時間間隔是波形頻率的倒數。

例如，在開狀態下花費一半時間而在關狀態下花費一半時間的數字信號將具有50％的占空比，即理想的方波。在開狀態下花費四分之三時間而在關狀態下花費四分之一時間的數字信號的占空比為75％。

PWM特性續

我們討論了非常適合PWM功能的各種應用，包括LED和電機（伺服）。由于頻率是PWM技術的主要組成部分，因此可以理解，頻率會影響PWM在應用程序中施加控制的能力。因此，例如，如果要控制LED以獲得適當的調光效果，則方波頻率的確需要足夠高。

例如，人眼會注意到LED在關閉和打開的情況下，在1 Hz下20％的占空比。然而，在100 Hz或更高的頻率下20％的占空比將僅顯示稍弱的暗光輸出。

如您所知，我們可以利用PWM控制電動機（伺服）。我們也可以使用它來控制伺服電機的角度。在應用方面，當我們將其連接到組裝或制造環境中的機械設備（如機械臂）時，這是有益的。這是理想的，因為伺服器使用的軸根據其控制線旋轉到特定位置。

PWM頻率

頻率或周期特定于控制特定的伺服器。通常，伺服電動機會每20 ms進行一次1 ms到2 ms之間的脈沖更新。這相當于在50 Hz時占空比為5％到10％?，F在，如果脈沖為1.5 ms，則伺服電動機將為90度，1 ms，0度以及2 ms，180度?？傊?，通過將伺服值更新為1毫秒至2毫秒之間的值，我們可以獲得完整的運動范圍。

PWM當前也用于特定的通信系統中，其占空比用于通過通信通道傳遞信息?？傮w而言，PWM是一種從高頻脈沖生成低頻輸出信號的方法或技術。

通過在較高和較低電壓（DC軌）之間快速切換逆變器支路的輸出電壓，低頻輸出基本上成為整個開關周期的平均電壓。

PWM作為一種控制技術非常適合各種應用。除占空比外，PWM頻率是其作為控制方法功能的基礎。